專利名稱：寬波帶光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鐵電極板上制作晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的方法在以準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)為基礎(chǔ)生成寬波帶光源的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
開發(fā)以準(zhǔn)相位匹配(QPM)為基礎(chǔ)的非線性光學(xué)設(shè)備，如波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，對(duì)鐵電物質(zhì)反轉(zhuǎn)晶疇的精密控制是非常必要的。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)例公開于文獻(xiàn)“J.A. ARMSTRONG et al.，Physical Review, vol. 127，No. 6，Sep.15，1962，pp.1918—1939 (J. A. Armstrong 等人，物理評(píng)論，第127卷，第6期，1962年9月15日，第1918-1939頁(yè))”在該文獻(xiàn)中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置采用了一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，將其置于在沿著光柵的方向上形成的周期性晶疇反轉(zhuǎn)光柵中，以滿足準(zhǔn)相位匹配(QPM)的條件。通過(guò)向波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件輸入角頻率為ω的基本光，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，以獲取角頻率為2 ω的轉(zhuǎn)換光，即產(chǎn)生二次諧波(SHG)。該晶疇反轉(zhuǎn)光柵的周期Λ取決于準(zhǔn)相位匹配(QPM)的條件(即2ω (η2ω-ηω) = 2 π c/Λ，其中η2ω和ηω分別是 2ω和ω的折射率，c是光在真空中的速度)。相反，如果一種角頻率為2 ω的泵浦光投射到同一裝置上，角頻率分別為《3和coi的信號(hào)光和閑置光通過(guò)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)過(guò)程產(chǎn)生(其中2ω = ω3+ω)0在自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)過(guò)程中，必須滿足相似的準(zhǔn)相位匹配(QPM)條件，艮P 2ωη2ω-ω. sns-ω ni = 2 π c/Λ，其中 η2 ω、ns 禾口 ni 分另 Ij是 2ω、 s和《i的折射率，c為光在真空中的速度。由于大量的cos與《i對(duì)數(shù)能滿足某一固定周期的準(zhǔn)相位匹配OffM)條件，產(chǎn)生的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)光通常在角頻率ω周圍具有很寬的頻帶寬度。為實(shí)現(xiàn)高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，高均勻周期性晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)必需穿出晶體的厚度。為取得具有高效率及大輸出功率的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，具有不完全摻雜的高光學(xué)性質(zhì)的極板，無(wú)論是哪一種，都必須在極化摻雜質(zhì)的極板上花很多心思。一種基于電暈放電方法，在摻雜鐵電材料(摻氧化鎂鈮酸鋰的極板)中形成周期性晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的技術(shù)公開于文獻(xiàn)“C. Q.Xu，et al. , USprovisional Patent NO. 60/847122 ； (C. Q. Xu 等人，美國(guó)臨時(shí)專利號(hào) 60/847122) ；Akinori Harada, U. S. Patent No. 5，594，746 (Akinori Harada,美國(guó)臨時(shí)專利號(hào) 5，594，746) ；Akinori Harada, U. S. Patent No. 5, 568, 308 (Akinori Harada，美國(guó)臨時(shí)專利號(hào) 5，568，308) ；A. Harada, et al.，Applied Physics Letters, vol. 69, no. 18，1996，pp. 2629—2631 (A. Harada 等人，應(yīng)用物理快報(bào)，第69卷，第18期，1996年，第沈四-2631頁(yè))”，(如圖1所示)。在這些文獻(xiàn)中， 電暈線或接觸線3被安置在摻氧化鎂鈮酸鋰單晶極板1的-C面上方，同時(shí)將周期性電極光柵2安置在極板的+c面上。電極由金屬制成并接地。只要高壓電源5向電暈線輸入了高電壓，就會(huì)發(fā)生電暈放電，使極板-C面上產(chǎn)生負(fù)電荷。由于-C面上存在電荷，造成了電壓電勢(shì)差，從而產(chǎn)生橫穿極板的強(qiáng)電場(chǎng)。若產(chǎn)生的電場(chǎng)大于晶體的內(nèi)部電場(chǎng)(即矯頑電場(chǎng))， 在電極之下的晶疇就可被反轉(zhuǎn)，這是因?yàn)樗a(chǎn)生電場(chǎng)的方向與晶體內(nèi)部電場(chǎng)是相反的。由于矯頑電場(chǎng)會(huì)隨著溫度的上升而減小，可采用溫度調(diào)節(jié)器6來(lái)減小疇反轉(zhuǎn)所需的電場(chǎng)。眾所周知，電暈放電法能夠克服不均勻摻雜的問(wèn)題，這是由于，因電暈放電而沉積在表面上的電荷的遷移速度非常緩慢。因此，晶體的極化會(huì)在局部矯頑電場(chǎng)所及的范圍內(nèi)發(fā)生。盡管均勻的晶疇反轉(zhuǎn)可借助電暈放電方法實(shí)現(xiàn)，但反轉(zhuǎn)后的晶疇形狀不佳。換言之， 反轉(zhuǎn)后的晶疇通常不會(huì)沿著極板的厚度方向垂直穿過(guò)晶體，如果使用塊狀晶體來(lái)開發(fā)晶疇反轉(zhuǎn)晶體，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在文獻(xiàn)“M.Yamada，et al.，US patent 5，193, 023 (Μ. Yamada 等人，美國(guó)專利 5, 193,023) ；Μ. Yamada, et al. , Applied Physics Letters, vol.62, no. 5,1993, pp. 435-436 (M. Yamada等人，應(yīng)用物理快報(bào)，第62卷，第5期，1993年，第· 435-436頁(yè))J ffebjiorn, et al. ,US patent 5，875，053 (J. Web jorn 等人，美國(guó)專利 5，875，053) ；Byer,et al.，US patent 5，714，198，US patnet5, 800，767，US patent 5，838，702 (Byer 等人，美國(guó)專利5，714，198，美國(guó)專利5，800, 767，美國(guó)專利5，838，702)，，中公開了另一種基于靜電方法，在摻雜氧化鎂鈮酸鋰形成周期性晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的技術(shù)(如圖1(b)和(c)所示)。在這些文獻(xiàn)中，在一種單晶摻氧化鎂鈮酸鋰極板1的+c面上形成了一個(gè)電極光柵2。電極光柵 2既可以是金屬(圖1(b))，也可以是絕緣體，如光刻膠(Fig. 1(c))。通過(guò)高壓電源5施加了一個(gè)橫穿極板的強(qiáng)電場(chǎng)。若施加的電場(chǎng)大于晶體的內(nèi)部電場(chǎng)(即矯頑電場(chǎng))，在電極(圖 1(b))或絕緣體光柵(圖1(c))之下的晶疇就可被反轉(zhuǎn)，這是因?yàn)樗┘与妶?chǎng)的方向與晶體內(nèi)部電場(chǎng)是相反的。在圖1(b)中的電極2和4之間，或圖1(c)中的電極3和4之間施加了一個(gè)高電壓。由于矯頑電場(chǎng)會(huì)隨著溫度的上升而減小，可采用溫度調(diào)節(jié)器6來(lái)減小疇反轉(zhuǎn)所需的電場(chǎng)。雖然鐵電極板技術(shù)在應(yīng)用于具有垂直晶疇形狀的非摻雜晶體的極化時(shí)很成功，但由于摻雜是不均勻的，難以實(shí)現(xiàn)均勻的極化。晶疇反轉(zhuǎn)的晶核形成是在極板表面隨機(jī)形成的。因此，極板上所施加的橫穿極板的電場(chǎng)的分布會(huì)在晶體開始極化時(shí)發(fā)生變化，因而會(huì)導(dǎo)致不均勻極化。在文獻(xiàn)"M. Nakamura，et al. , Jpn. J. Appl. Phys. , vol. 38, 1999, pp. L1234-1236(M. Nakamura 等人，日本應(yīng)用物理雜志，第 38 卷，1999，第 L1234-1236 頁(yè))； H. Ishizuki, et al.，Appl. Phys. Lett.，vol. 82，No. 23，2003，pp. 4062—4065(H. Ishizuki 等人，應(yīng)用物理快報(bào)，第82卷，第23期，2003年，第4062-4065頁(yè))；K. Nakamura, et al.， J. Appl. Phys.，vol. 91，No. 7，2002，pp. 4528-4534 (K. Nakamura 等人，應(yīng)用物理雜志，第 91 卷，第7期，2002，第45觀-4534頁(yè))，，中公開了一種通過(guò)降低晶體極化所需的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)解決上述問(wèn)題的方法。該方法通過(guò)將極化溫度升高至170°C和/或?qū)O板的厚度減小至 300μΓη，可降低需要的電場(chǎng)強(qiáng)度。盡管該方法在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期(>20μπι)的均勻極化方面有一定的效果，但很難實(shí)現(xiàn)短周期(< ΙΟμπι)的均勻極化。此外，升高溫度也會(huì)造成制造工藝上的困難，同時(shí)極板厚度的減小也限制了所研發(fā)的晶體的應(yīng)用。另一種通過(guò)在極化中采用厚極板和短脈沖電場(chǎng)來(lái)解決此問(wèn)題的方法公開于文獻(xiàn) “K. Mizuuchi，et al.，US patent 6，353，495 (K. Mizuuchi 等人，美國(guó)專利 6，353，495)， K. Mizuuchi, et al. ,J. Appl. Phys. ,vol. 96, No. 11，2004，pp. 6585-6590 (K. Mizuuchi 等人，應(yīng)用物理雜志，第96卷，第11期，2004年，第6585-6590頁(yè))”。由于該方法采用了厚(例如Imm)極板和短脈沖極化電壓，反轉(zhuǎn)的晶疇不會(huì)穿過(guò)整個(gè)極板。因此，盡管由于摻雜的不均勻性，導(dǎo)致極化啟動(dòng)具有隨機(jī)性，但電場(chǎng)的分布是不會(huì)改變的，而且，即使極化從某個(gè)確定的位置啟動(dòng)也是如此，這是因?yàn)榉崔D(zhuǎn)的晶疇不能穿過(guò)極板，從而使極化電流受到極大的抑制。況且，采用這種方法時(shí)，約有一半的晶體被浪費(fèi)掉，因?yàn)榫М牱崔D(zhuǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸退化，并最終會(huì)從極板的+c到-C面范圍內(nèi)消失。在文獻(xiàn)“Peng等人，美國(guó)專利6，926，770”中公開了解決此問(wèn)題另一種方法，即先經(jīng)過(guò)熱處理過(guò)程再進(jìn)行靜電極化。該方法通過(guò)高溫(例如1050°C )下的熱處理過(guò)程生成了均勻的晶核形成層，該晶核形成層由第一個(gè)金屬電極決定。對(duì)第一個(gè)金屬電極進(jìn)行的熱處理以及環(huán)境中的氧氣在低于居里溫度下的非線性晶體狀態(tài)共同導(dǎo)致淺表面晶疇的反轉(zhuǎn)，此過(guò)程可通過(guò)熱處理過(guò)程中鋰外擴(kuò)散或鈦離子內(nèi)擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行熱處理后，形成了第二電極光柵，并且施加了穿過(guò)晶體的脈沖電壓(高于晶體的矯頑電壓)，以實(shí)現(xiàn)深晶疇反轉(zhuǎn)。 然而，由于需要高溫?zé)崽幚聿⑿纬傻诙姌O，整個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，產(chǎn)量也較低，因而該方法的生產(chǎn)成本較高。在文獻(xiàn)“S. Grilli，et al.，Applied Physics Letters, vol. 89, No. 3， 2006，pp. 2902-2905 (S. Grilli 等人，應(yīng)用物理快報(bào)，第 89 卷，第 3 期，2006，第 2902-2905 頁(yè))”中公開的方法中，沒有采用晶核形成，而是通過(guò)金屬電極外的質(zhì)子交換來(lái)防止在無(wú)遮蓋區(qū)域，如金屬電極光柵上的晶核形成。然而，該方法并不能保證在金屬電極下均勻的晶核形成，因而也未能實(shí)現(xiàn)較大面積范圍內(nèi)均勻的深晶疇反轉(zhuǎn)。所生成的周期性極化晶體可用作自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)過(guò)程所需要的非線性介質(zhì)。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)是一種為人熟知的非線性光學(xué)過(guò)程，公開于“MFiorentino， et al.，Optics Express, Vol. 15，Issue 12，pp. 7479-7488 (Μ· Fiorentino 等人，光學(xué)快訊，第 15 卷，第 12 期，第 7479-7488 頁(yè))；L. E. Myers, et al.，J. Opt. Soc. Am. B, vol. 12， No. 11，1995, pp. 2102-2116 (L. Ε. Myers 等人，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊 B，第 12 卷，第 11 期，1995， 第2102-2116頁(yè))”等文獻(xiàn)。在SPDC過(guò)程中，會(huì)向非線性晶體中射入一束角頻率為ωρ的泵浦光，并生成角頻率分別為《3和C0j的信號(hào)光和閑置光。通常泵浦光束只透過(guò)非線性晶體一次，而生成的SPDC光的能量較低。為了提高PDC的效率，晶體被放置于光學(xué)共振腔中， 在0^和ω t下均具有高反射率(雙共振)，或在0^和ω t之一下具有高反射率(單共振)。盡管PDC光的輸出功率可通過(guò)采用雙共振或單共振結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)，但PDC光的帶寬則大大降低。而光傳感和光學(xué)相干層析(OCT)的應(yīng)用，需要求光源有較寬的光譜帶寬和較高的輸出功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)在于提供一種疇反轉(zhuǎn)方法，該方法在應(yīng)用于極化摻雜晶體領(lǐng)域中特別見效。該方法首先根據(jù)電暈放電法，對(duì)帶有指定電極光柵的極板進(jìn)行第一次極化，形成金屬電極光柵下均勻的淺晶疇反轉(zhuǎn)(即晶核形成)，然后在靜電法基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次深層極化，以實(shí)現(xiàn)深晶疇反轉(zhuǎn)。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種生成寬波帶光源的方法，該方法采用一種具有晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性晶體。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)，(如圖2所示)，具有晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性晶體1放置在光學(xué)共振腔中。非線性晶體的晶面涂有膜2和膜3，在波長(zhǎng)為Xf(寬波帶)左右時(shí)具有高透射率，在波長(zhǎng)為二分之一 Xf時(shí)具有高反射率。共振腔由后鏡4和前鏡5組成。后鏡4 在波長(zhǎng)為Xf(寬波帶)左右時(shí)具有高反射率，而前鏡5在波長(zhǎng)為Xf (窄波帶)時(shí)具有高反射率。在共振腔內(nèi)有一個(gè)激光晶體6，可生成激光波長(zhǎng)λ f。激光晶體的晶面涂有膜7和膜 8，均在入，波長(zhǎng)下具有高透射率。采用一個(gè)可在Xj^長(zhǎng)下發(fā)出高能激光的泵浦激光二極管9來(lái)泵浦激光晶體6。


為使本發(fā)明能理解得更加透徹，以下段落結(jié)合所附圖紙對(duì)本發(fā)明做出了詳細(xì)的說(shuō)明。圖紙中圖1是晶體先前極化技術(shù)的裝置示意圖，圖1(a)根據(jù)的是電暈線放電的方法；圖 1(b)根據(jù)的是金屬電極的靜電方法；圖1(c)根據(jù)的是液體電極的靜電方法。圖2是本發(fā)明中用于解釋在塊狀非線性晶體上產(chǎn)生寬波帶光的一種配置的概念示意圖。圖3是本發(fā)明中用于解釋晶體極化程序流程圖的首選實(shí)施方案的示意圖。圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)是本發(fā)明中用于解釋在具有晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的塊狀非線性晶體上產(chǎn)生寬波帶光所使用的各種內(nèi)腔配置的第二選擇實(shí)施方案示意圖。圖5(a)和圖5(b)是本發(fā)明中用于解釋具有光波導(dǎo)和晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性晶體的各種類型的第三選擇實(shí)施方案示意圖。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)是本發(fā)明中用于解釋在具有晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性晶體上生成寬波帶光的各種內(nèi)腔配置的第四選擇實(shí)施方案示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過(guò)以下所描述的方法解決上述問(wèn)題在首選實(shí)施方案(如圖3所示)中，首選晶體極化過(guò)程的流程圖包含在單晶體鐵電極板的+c面上的電極形成過(guò)程。第一次極化是通過(guò)采用電暈放電法，形成均勻的淺晶疇反轉(zhuǎn)(即晶核形成)而實(shí)現(xiàn)的。在完成第一次極化后，通過(guò)采用靜電法，形成均勻的深晶疇反轉(zhuǎn)而進(jìn)行二次極化。第一次極化之前在鐵電極板的+c面上形成的電極光柵可用做第二次極化的電極。如果第二次極化不采用液體電極，則在第一次極化和第二次極化的間隔時(shí)間內(nèi)，應(yīng)在鐵電極板的-C面上形成一層金屬薄膜層。在第二次極化完成后，將采用標(biāo)準(zhǔn)的蝕刻工序，用酸清除金屬電極。第一次極化過(guò)程中采用的電暈放電法能夠克服不均勻摻雜的問(wèn)題，這是由于，電暈放電產(chǎn)生的表面沉積電荷的遷移速度非常緩慢。因此，晶體的極化會(huì)在局部矯頑電場(chǎng)所及的范圍內(nèi)發(fā)生。因而，可通過(guò)電暈放電法實(shí)現(xiàn)均勻的淺晶疇反轉(zhuǎn)(即晶核形成)。淺晶疇反轉(zhuǎn)的深度在幾微米到幾百微米之間，可通過(guò)改變施加在電暈炬或電暈線上的電壓、施加高電壓的時(shí)間、極板的-C面和電暈炬或電暈線之間的距離來(lái)控制。施加于電暈炬或電暈線上的典型電壓可設(shè)定在IkV到IOOkV之間(例如IOkV)，施加電壓的時(shí)間可以設(shè)定在10秒和10分鐘之間(例如30秒)。由于在第二次極化過(guò)程中，晶體的極化從均勻晶疇反轉(zhuǎn)區(qū)(即晶核形成)開始，用
8本發(fā)明的方法將不再出現(xiàn)隨機(jī)的晶核形成過(guò)程。因此，對(duì)晶體沿厚度方向的剩余部分的極化需要的電場(chǎng)強(qiáng)度更低，并且電場(chǎng)強(qiáng)度的分布只取決于電極光柵，而不受晶核形成過(guò)程的影響。因此，可在第二次極化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)具有垂直邊界的均勻極化。設(shè)定施加的電壓值可保證電場(chǎng)能達(dá)到晶體的矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度。值得一提的是，由于在傳統(tǒng)的靜電極化過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生在摻雜晶體內(nèi)隨機(jī)形成晶核的現(xiàn)象，所以很難實(shí)現(xiàn)均勻極化。因此，盡管靜電技術(shù)在應(yīng)用于非摻雜晶體的極化時(shí)很成功(沒有隨機(jī)晶核形成的例子)，但由于摻雜的不均勻性，難以實(shí)現(xiàn)均勻極化。受局部摻雜濃度的影響，晶疇反轉(zhuǎn)的晶核形成在極板的+c面是隨機(jī)形成的。因此，在極板上所施加的橫穿極板的電場(chǎng)的分布會(huì)在晶體開始極化時(shí)發(fā)生變化，因而會(huì)導(dǎo)致不均勻極化。在本發(fā)明的第二選擇實(shí)施方案中(如圖4(a)所示)，寬波帶光源被安置在一個(gè)光學(xué)共振腔中。該寬波帶光源包括一個(gè)具有晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性晶體1(例如摻氧化鎂 PPLN 周期性極化的鈮酸鋰)。PPLN晶體的晶面上涂有膜2和膜3，兩層膜在1064nm(寬帶寬)左右的光下具有高透射率，而在532nm的光下具有高反射率。PPLN晶體的周期是精心設(shè)計(jì)的，從而可滿足從1064nm到532nm范圍內(nèi)，SHG ( 二次諧波產(chǎn)生)的QPM條件，即 2 ω (η2ω-ηω) = 2 π c/Λ，其中η2ω和ηω分別為2 ω和ω的折射率，c為光在真空中的速度，Λ為PPLN的周期。共振腔由后鏡4和前鏡5形成。后鏡在1064nm(寬波帶)左右具有高反射率而前鏡在1064nm(窄波帶)光下具有高反射率。在共振腔中還放置了一個(gè)激光晶體(例如Nd: YAG) 6。激光晶體的晶面上涂有膜7和膜8，在1064nm下具有高透射率。一個(gè)可在808nm下發(fā)射高能激光的泵浦激光二極管9用于對(duì)激光晶體6進(jìn)行泵浦。溫度控制器10和11可分別安置在非線性晶體1和激光晶體6底下。激光晶體6和非線性晶體1的橫截面大于共振腔中所限制的光束的尺寸，后者的直徑通常小于1mm。激光晶體和非線性晶體的長(zhǎng)度設(shè)定在Imm和IOOmm之間(例如分別為IOmm和5mm)。激光二極管的泵浦功率的設(shè)定值大于IOmW (例如5W)。激光晶體6由泵浦激光二極管9來(lái)泵浦。由于共振腔中的鏡4和鏡5在1064nm下具有高反射率，只要激光二極管9的泵浦功率高于設(shè)計(jì)激光器的閾值功率，就會(huì)發(fā)生激光振蕩。激光器閾值功率取決于激光損失，包括在共振腔的鏡4和鏡5處的透射損失，在激光晶體6和非線性晶體1處的吸收和散射損失，以及在激光晶體6和非線性晶體1的晶面上的反射損失。由于激光晶體6和非線性晶體1均涂有1064納米的防反射涂層(即透射涂層)，1064納米的晶面反射損失小到可以忽略不計(jì)。此外，由于采用了高質(zhì)量的晶體，散射損失也小到可以忽略不計(jì)。另外，由于截止波長(zhǎng)(即吸收開始變得不可忽略時(shí)的波長(zhǎng))遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于上述波長(zhǎng)(例如就摻氧化鎂的PPLN而言，其截止波長(zhǎng)為340nm)，非線性晶體1的吸收損失也是可以忽略不計(jì))。因此，1064nm的激光具備高頻率和激光的高限制性等特點(diǎn) (即，大多數(shù)1064nm的激光會(huì)被限制在共振腔內(nèi)，也即在非線性晶體1中)。如下文所述， 這些特點(diǎn)非常有助于實(shí)現(xiàn)高效的SPDC。如上所述，波長(zhǎng)1064nm的高強(qiáng)度光會(huì)被限制在共振腔中，因而在PPLN非線性晶體 1中，波長(zhǎng)為1064nm的光的光強(qiáng)度非常高。由于PPLN晶體1滿足QPM條件，利用SHG工序可以有效地生成532nm的光。此外，由于在PPLN晶體1的兩個(gè)晶面2、3上采用了高反射涂層，所生成的532nm SHG光會(huì)被高度限制在PPLN晶體1中。通過(guò)為PPLN晶體1選擇合適的長(zhǎng)度和/或通過(guò)位于PPLN晶體1下方的溫度控制器10來(lái)調(diào)整PPLN晶體的溫度，使PPLN晶體的環(huán)程相在532nm時(shí)等于2D的整數(shù)倍，就能使532nm光的強(qiáng)度最大化。由于在PPLN晶體1中存在高強(qiáng)度的532nm光，在1064nm左右(此時(shí)ω 532-nm = ω3+ω，)，通過(guò)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)，生成頻率分別為ωs和coj的信號(hào)光和閑置光。在 SPDC 過(guò)程中，必須滿足 QPM 的條件，即 Co532-Mm η532_Μ- ω sns_coi ni = 2 π c/ Λ，其中 ns 和 ni分別為cos和coj的折射率，c為光在真空中的速度，Λ為PPL晶體N的周期。由于在給定周期的情況下，滿足QPM條件的Cos和coj對(duì)數(shù)很多，因而生成的SPDC光具有很寬的帶寬。與文獻(xiàn)中的所公開的傳統(tǒng)SPDC不同，SPDC的泵浦光，即532nm光，在PPLN晶體內(nèi)是高度限制的，因而所生成的具有寬帶寬的SPDC光有很高的效率，因?yàn)镾PDC的效率與泵浦功率成正比。除此之外，生成的SPDC光在向共振腔后鏡4傳播時(shí)會(huì)被反射回來(lái)，因?yàn)樵撶R在 1064nm左右對(duì)寬帶寬光具有很高的反射率，這樣就進(jìn)一步增加了 SPDC光的輸出功率。由于位于共振腔前鏡5在1064nm下只能反射窄帶光，生成的SPDC光在共振腔前鏡5處的反射損失很小。此外，如果532nm光的強(qiáng)度就已經(jīng)足夠，那么生成的SPDC光可在通過(guò)PPLN晶體 1時(shí)，在參量擴(kuò)大過(guò)程的作用下進(jìn)一步增強(qiáng)。在本發(fā)明的第三選擇實(shí)施方案中(如圖4(b)所示)提供了另一種寬波帶光源的備選配置。共振腔后鏡4(如圖4(a)所示)被一個(gè)寬帶寬Bragg光纖光柵如和一個(gè)透鏡 4b取代，同時(shí)共振腔前鏡5 (如圖3 (a)所示)被一個(gè)窄帶寬Bragg光纖光柵如和一個(gè)透鏡 5b取代。光纖Bragg光柵的帶寬最大可設(shè)置在lOOnm，而光纖Bragg光柵fe的帶寬最小可設(shè)置在0. lnm。本發(fā)明的特點(diǎn)是所生成的寬波帶光可以通過(guò)光纖輸出。如果在共振腔后鏡內(nèi)也采用了窄帶寬光纖Bragg光柵，則從兩個(gè)輸出口均可以輸出寬波帶光。在本發(fā)明的第四選擇實(shí)施方案中(如圖4(c)所示)，在激光晶體6和非線性晶體 1之間增加了一個(gè)透鏡12。與圖4(b)所示的配置相比，這種配置可以采用更長(zhǎng)的非線性晶體，同時(shí)可在共振腔中保持較小的光束直徑。由于SPDC的效率與非線性晶體長(zhǎng)度的平方成正比，采用較長(zhǎng)的非線性晶體可以提高SPDC的效率。在本發(fā)明的第五選擇實(shí)施方案中(如圖5(a)所示)，在SPDC過(guò)程中采用了波導(dǎo)型非線性晶體。采用波導(dǎo)1可極大地提高光的強(qiáng)度，同時(shí)還能使用較長(zhǎng)的設(shè)備。因此SPDC的效率可以得到提高。與圖4(a)所示的情況類似，PPLN的波導(dǎo)的晶面涂有膜2和膜3，均在 1064nm(寬帶寬)左右具有高透射率而在532nm下具有高反射率。PPLN晶體的周期是精心設(shè)計(jì)的，從而可滿足從1064nm到532nm范圍內(nèi)，SHG的QPM條件，即2 ω (η2ω_ηω) = 2nd A，其中 η2ω和ηω分別為2ω和ω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周期。在本發(fā)明的第六選擇實(shí)施方案中(如圖5(b)所示)，在波導(dǎo)1的兩端各形成1個(gè)集成的Bragg光柵加和3a。在波導(dǎo)的兩個(gè)晶面上涂有1064nm下的高透射(即防反射)涂層2b和北。與圖5(a)所示的配置相比，波導(dǎo)的兩個(gè)晶面的上采用的涂層更容易獲得，因而可降低非線性晶體的生產(chǎn)成本。PPLN波導(dǎo)的周期是精心設(shè)計(jì)的，從而可滿足從1064nm到 532nm范圍內(nèi)，SHG的QPM條件，即2 ω (n2(a-nj = 2 π c/Λ，其中η2ω和ηω分別為η2ω和 ηω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，Λ為PPLN的周期。在本發(fā)明的第七選擇實(shí)施方案中(如圖6(a)所示)，1064nm的激光13被從非線性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性晶體1中只通過(guò)1次，而生成的532nm SHG光被限制在晶體中。532nm的光在接下來(lái)的SPDC過(guò)程中作為泵浦光。PPLN晶體的晶面上涂有膜2和膜3，兩層膜在1064nm(寬帶寬)左右的光下具有高透射率，而在532nm的光下具有高反射率。1064nm的光通過(guò)透鏡14射入晶體中。PPLN波導(dǎo)的周期是精心設(shè)計(jì)的，從而可滿足從1064nm到532nm范圍內(nèi)，SHG的QPM條件，即2 ω (η2ω-ηω) = 2 π c/ Λ，其中η2ω禾口分別為2ω和ω下的折射率，c為光在真空中的速度，Λ為PPLN的周期。與圖3(a)類似，可在晶體1底下安裝一個(gè)溫度控制器10。非線性晶體1的橫截面大于被限制在共振腔中的光束的尺寸，后者的直徑通常小于1mm。非線性晶體的長(zhǎng)度設(shè)定在Imm和IOOmm之間 (例如5mm)。在本發(fā)明的第八選擇實(shí)施方案中(如圖6(b)所示)，1064nm的激光13被從非線性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性晶體中只通過(guò)1次，而生成的532nm SHG光被一對(duì)位于共振腔中的鏡4和鏡5限制在晶體中。532nm的光在接下來(lái)的SPDC過(guò)程中作為泵浦光。PPLN晶體的晶面上涂有膜2和膜3，兩層膜在1064nm(寬帶寬)左右的光下具有高透射率。1064nm的光通過(guò)透鏡14射入晶體中。PPLN晶體的周期是精心設(shè)計(jì)的，從而可滿足從 1064nm 到 532nm 范圍內(nèi)，SHG 的 QPM 條件，即 2 ω (η2ω-ηω) = 2 ji c/ Λ，其中 η2ω 和 ηω 分別為2ω和ω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周期。與圖3(a)相類似，可在非線性晶體1底下安裝一個(gè)溫度控制器10。在本發(fā)明的第九選擇實(shí)施方案中(如圖6(c)所示)，1064nm的激光13被從波導(dǎo)型非線性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性波導(dǎo)中只通過(guò)1次，而生成的532nm SHG 光被一對(duì)集成的Bragg光柵2a，3a限制在晶體中。532nm的光在以下的SPDC過(guò)程中作為泵浦光。PPLN波導(dǎo)的晶面上涂有膜2b和北，均在1064nm(寬帶寬)左右具有高透射率。 1064nm的光通過(guò)透鏡14射入波導(dǎo)中。PPLN波導(dǎo)的周期是精心設(shè)計(jì)的，從而可滿足從1064nm 到532nm范圍內(nèi)，SHG的QPM條件，即2ω (η2ω_ηω) = 2 Jic/Λ，其中η2ω和ηω分別為2 ω 和ω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周期。與圖3(a)類似，可在非線性晶體1底下安裝一個(gè)溫度控制器10。在本發(fā)明的第十選擇實(shí)施方案中(如圖6(d)所示)，1064nm的激光13被從波導(dǎo)型非線性晶體1中分散開。1064nm的光在非線性波導(dǎo)中只通過(guò)1次，而生成的532nm SHG 光被一對(duì)光纖Bragg光柵2a，3a限制在晶體中。532nm的光在以下的SPDC過(guò)程中作為泵浦光。PPLN波導(dǎo)的晶面上涂有膜2b和北，均在1064nm(寬帶寬)左右具有高透射率。1064nm 的光通過(guò)單模光纖15、16和波導(dǎo)之間的直接耦合導(dǎo)入波導(dǎo)。PPLN波導(dǎo)的周期是精心設(shè)計(jì)的，從而可滿足從1064nm到532nm范圍內(nèi)，SHG的QPM條件，即2 ω (η2ω-ηω) = 2 ji c/ Λ，其中η2ω和1分別為2 ω和ω下的有效折射率，c為光在真空中的速度，A為PPLN的周期。 與圖3(a)類似，可在非線性晶體1底下安裝一個(gè)溫度控制器10。上述應(yīng)用方案描述了摻氧化鎂鈮酸鋰晶體的極化。本發(fā)明所描述的方法當(dāng)然也可以用于其它鐵電極板材料，如LiTa03、KTP等。上述實(shí)施方案在晶體極化過(guò)程中采用了金屬電極。當(dāng)然，采用液體電極和/或金屬與液體電極相結(jié)合的不同方式也能實(shí)現(xiàn)均勻的晶體極化。這些配置可以采用與本專利中明確說(shuō)明的配置不同的各種方法進(jìn)行組合。上述實(shí)施方案中描述了 1064nm左右寬波帶光的生成。當(dāng)然，在其他波長(zhǎng)下生成的寬波帶光源，如1310nm等，也可以采用類似的配置來(lái)生成。在上述實(shí)施方案中，描述了附著于晶體上的加熱元件。當(dāng)然，采用其他加熱裝置， 如紅外線加熱器等，對(duì)晶體的升溫效果應(yīng)該是類似的。
權(quán)利要求
1.一種寬波帶光源裝置，其組成如下激光晶體，可生成波長(zhǎng)為Xf的基礎(chǔ)光，為以下的二次諧波產(chǎn)生過(guò)程所必需； 光學(xué)非線性晶體，用于生成波長(zhǎng)為Xf/2的二次諧波光； 泵浦二極管激光器，波長(zhǎng)為λρ;第一光學(xué)共振腔，可將波長(zhǎng)為Xf的光限制在裝有激光晶體和非線性晶體的共振腔中；第二光學(xué)共振腔，可將波長(zhǎng)為Xf/2的光限制在非線性晶體中； 第一溫度控制器，位于激光晶體下方，用于控制激光晶體的溫度； 第二溫度控制器，位于非線性晶體下方，用于控制非線性晶體的溫度和使非線性晶體內(nèi)波長(zhǎng)為λ f/2的光的強(qiáng)度最大化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波帶光源裝置，其中，所述第一光學(xué)共振腔的組成如下 一個(gè)曲面鏡，用作腔內(nèi)的后鏡，在波長(zhǎng)為Xf(寬波帶)左右時(shí)，具有高反射率； 一個(gè)曲面鏡，用作腔內(nèi)的前鏡，在波長(zhǎng)為Xf(窄波帶)時(shí)，具有極高的反射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波帶光源裝置，其中，所述激光晶體的組成如下 兩個(gè)晶面涂有波長(zhǎng)為Xf(寬波帶)左右的高透射涂層(或防反射涂層)； 其橫截面直徑大于限制在共振腔中光的光束直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波帶光源裝置，其中，所述非線性晶體的組成如下周期性晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其周期滿足生成二次諧波光的準(zhǔn)相位匹配條件，該二次諧波光的波長(zhǎng)為Xf/2，由波長(zhǎng)為Af基礎(chǔ)光生成；兩個(gè)晶面，該晶面涂有波長(zhǎng)為Xf(寬波帶)左右的高透射涂層(或防反射涂層)和波長(zhǎng)為λ f/2的高反射涂層，以形成第二共振腔；其橫截面直徑大于限制在第一共振腔中的光的光束直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波帶光源裝置，其中，所述第一光學(xué)共振腔的組成如下 第一光纖Bragg光柵，用作共振腔的后鏡，在波長(zhǎng)為Xf (寬波帶)左右時(shí)具有高反射率；第二光纖Bragg光柵，用作共振腔的前鏡，在波長(zhǎng)為Xf (窄波帶)時(shí)具有極高的反射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬波帶光源裝置，其中，用來(lái)導(dǎo)入光束的裝置的組成如下 第一透鏡，用于將光從第一光纖Bragg光柵導(dǎo)入激光晶體；第二透鏡，用于將光導(dǎo)入非線性晶體； 第三透鏡；用于將光從非線性晶體導(dǎo)入第二光纖Bragg光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波帶光源裝置，其中，所述非線性晶體的組成如下周期性晶疇反轉(zhuǎn)波導(dǎo)，其周期滿足生成二次諧波光的準(zhǔn)相位匹配條件，該二次諧波光的波長(zhǎng)為Xf/2，由波長(zhǎng)為Af基礎(chǔ)光生成；兩個(gè)晶面，該晶面涂有波長(zhǎng)為Xf(寬波帶)左右的高透射涂層(或防反射涂層)和波長(zhǎng)為λ f/2的高反射涂層，以形成第二共振腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波帶光源裝置，其中，所述非線性晶體的組成如下周期性晶疇反轉(zhuǎn)波導(dǎo)，其周期滿足生成二次諧波光的準(zhǔn)相位匹配條件，該二次諧波光的波長(zhǎng)為Xf/2，由波長(zhǎng)為Af基礎(chǔ)光生成；集成的Bragg光柵，在波長(zhǎng)為λ f/2左右時(shí)具有高反射率以形成第二共振腔； 兩個(gè)涂有高透射涂層(或防反射涂層)的晶面，在波長(zhǎng)為Xf(寬波帶)左右時(shí)，晶面具有極高透射率。
9.一種寬波帶光源裝置，其組成如下泵浦激光器，可發(fā)出波長(zhǎng)為Xf的光，為以下第二諧波生成過(guò)程所需； 光學(xué)非線性晶體，用于生成波長(zhǎng)為Xf/2的二次諧波光； 光學(xué)共振腔，用于將波長(zhǎng)為Xf/2的光限制在腔內(nèi)；上述光學(xué)共振腔的后鏡在波長(zhǎng)為Xf左右和波長(zhǎng)為λ f/2時(shí)具有高反射率，而在波長(zhǎng)為 λ f時(shí)卻具有高透射率；上述光學(xué)共振腔的前鏡在波長(zhǎng)為λ f/2時(shí)具有高反射率，但在波長(zhǎng)為Xf時(shí)具有高透射率；透鏡，用于將波長(zhǎng)為Xf的光導(dǎo)入共振腔內(nèi)； 溫度控制器，位于非線性晶體下方。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的寬波帶光源裝置，其中，所述光學(xué)共振腔和非線性晶體的組成如下光學(xué)共振腔由一對(duì)曲面鏡形成的，上述光學(xué)共振腔的后曲面鏡在波長(zhǎng)為λ f左右和波長(zhǎng)為λ f/2時(shí)具有高反射率，而在波長(zhǎng)為Xf時(shí)卻具有高透射率；然而，上述光學(xué)共振腔的前曲面鏡在波長(zhǎng)為λ f/2時(shí)具有高反射率，但在波長(zhǎng)為Xf左右時(shí)具有高透射率；非線性晶體具有周期性晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其周期滿足生成SH光的準(zhǔn)相位匹配條件，該二次諧波光的波長(zhǎng)為λ f/2，由波長(zhǎng)為λ f基礎(chǔ)光生成；兩個(gè)涂有波長(zhǎng)為λ f (寬波帶)左右的高透射涂層(或防反射涂層)的晶面； 非線性晶體的橫截面直徑大于限制在腔中的光的光束直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的寬波帶光源裝置，其中，所述光學(xué)共振腔和非線性晶體的組成如下周期性晶疇反轉(zhuǎn)的非線性晶體，具有兩個(gè)晶面來(lái)以成共振腔，后晶面涂有在波長(zhǎng)為Xf 左右和波長(zhǎng)Xf/2時(shí)具有高反射率，而在波長(zhǎng)Xf時(shí)卻具有高透射率的涂層，而前晶面涂有在波長(zhǎng)Xf/2時(shí)具有高反射率，但在波長(zhǎng)Xf左右時(shí)具有高透射率的涂層；非線性晶體的周期性晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)滿足生成SH光的準(zhǔn)相位匹配條件，該二次諧波光的波長(zhǎng)為Xf/2，由波長(zhǎng)為Af基礎(chǔ)光生成；非線性晶體的橫截面直徑大于限制在晶體中的光的光束直徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的寬波帶光源裝置，其中，所述非線性晶體的組成如下 光學(xué)波導(dǎo)；周期性晶疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其周期滿足生成SH光的準(zhǔn)相位匹配條件，該二次諧波光的波長(zhǎng)為入乂2，由波長(zhǎng)為Af基礎(chǔ)光生成；分別位于波導(dǎo)兩端的兩個(gè)集成Bragg光柵，可在Xf/2的波長(zhǎng)下反射光以形成共振腔； 兩個(gè)涂有高透射涂層(或防反射涂層)的晶面，后晶面涂有在波長(zhǎng)為Xf左右時(shí)具有高反射率，而在波長(zhǎng)為Xf時(shí)卻具有高透射率的涂層，而前晶面涂有在波長(zhǎng)為右時(shí)具有高透射率的涂層。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的寬波帶光源裝置，其中，所述第一光學(xué)共振腔的組成如下兩個(gè)用作共振腔鏡的光纖Bragg光柵，在波長(zhǎng)為Xf/2時(shí)具有高反射率； 非線性波導(dǎo)，具有周期性晶軸反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，非線性波導(dǎo)的周期滿足生成SH光的準(zhǔn)相位匹配條件，該二次諧波光的波長(zhǎng)為λ f/2，由波長(zhǎng)為λ f基礎(chǔ)光生成；兩個(gè)涂有高透射涂層(或防反射涂層)的晶面，后晶面涂有在波長(zhǎng)為Xf左右時(shí)具有高反射率，而在波長(zhǎng)Xf時(shí)卻具有高透射率的涂層，而前晶面涂有在在波長(zhǎng)Xf左右時(shí)具有高透射率的涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用鐵電極板晶疇反轉(zhuǎn)的方法的寬波帶光源裝置，該裝置組成如下激光晶體，可生成波長(zhǎng)為λf的基礎(chǔ)光，為以下的二次諧波產(chǎn)生過(guò)程所必需；光學(xué)非線性晶體，用于生成波長(zhǎng)為λf/2的二次諧波光；泵浦二極管激光器，波長(zhǎng)為λp；第一光學(xué)共振腔，可將波長(zhǎng)為λf的光限制在裝有激光晶體和非線性晶體的共振腔中；第二光學(xué)共振腔，可將波長(zhǎng)為λf/2的光限制在非線性晶體中；第一溫度控制器，位于激光晶體下方，用于控制激光晶體的溫度；第二溫度控制器，位于非線性晶體下方，用于控制非線性晶體的溫度和使非線性晶體內(nèi)波長(zhǎng)為λf/2的光的強(qiáng)度最大化。
文檔編號(hào)H01S3/081GK102394467SQ20111035944
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月31日
發(fā)明者胡燁 申請(qǐng)人:C2C晶芯科技公司